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１．概  要

 

ＳＴＬモデル（三角形でワーク表面を被ったポリゴンモデル）を取得するには、ＳＴＬファイル書式を利用するのが簡便であり、事実上の標準でもある。一方、このＳＴＬファイル書式以外にも、三角形ポリゴンモデルを記述するファイル書式が提唱されている。その１つが「ＡＭＦファイル書式（Additive Manufacturing File Format）」である。ＡＭＦファイル書式は、ＳＴＬファイル書式を完全に含むことができる。さらにアセンブリなど補助的な情報も記述することができる。ＳＴＬファイル書式からＡＭＦファイル書式への変換は完全に実現できるが、その逆の変換では（当然のことながら）情報の欠落を生じる。

 

弊社は、次の規格書に基づいてトランスレータプログラムを開発した。

 

ASTM INTERNATIONAL Designation : F2945-12
Standard Specification for
Additive Manufacturing File Format(AMF) Version 1.1

 

ＡＭＦファイルを読み込み、３Ｄ積層造形装置に製品形状（三角形ポリゴンモデル）を取得する機能を開発した。三角形ポリゴンモデルはＡＭＦファイルへの書き出しも可能である。
さらに、ＡＭＦファイル固有の「曲面三角形：Curved Triangle（ふんわり三角形）」を微細な平面三角形群に変換する機能も開発した。

ここでは、開発の経験からＡＭＦファイルの現状と実用化の動向についてコメントする。

 

 

２．ＡＭＦファイルの特徴

 

２．１    ＡＭＦファイル用のトランスレータの例

 

トランスレータは３つの機能で構成される。

機能１　読み込み ＡＭＦファイルを読み込み三角形ポリゴンモデルを生成
機能２　書き出し 三角形ポリゴンモデルをＡＭＦファイルに書き出す
機能３　曲面三角形 ＡＭＦファイル固有の表現の曲面三角形を平面三角形で近似する

 

ＡＭＦファイルと三角形ポリゴン（位相付ＳＴＬ）との相互変換では、変換の途中に「中間データ構造」を介在させる。こうすることで、ＡＭＦファイルとの読み書きにおいて、本機能固有（ＭＣ２型）位相付ＳＴＬを利用することなく、中間データ構造からＡＭＦファイルＩＯも可能になる。本機能を活用するアプリケーション開発者は、各自（各社）の固有のモデル構造から、位相付ＳＴＬまたは中間構造へのデータ変換機能を用意すればよい。

 

金型製作（造形、切削）の現場としては、ＡＭＦファイルの評価は、位相付ＳＴＬ（最もシンプルなＢＲＥＰソリッド）を安定してやりとり出来るかどうかが重要である。

 

 

２．２    ＸＭＬ形式による記述

 

ファイルフォーマットは「ＸＭＬ形式」と「バイナリ形式」が存在する。バイナリ形式はＸＭＬ形式をＺＩＰ圧縮したものである。展開すればテキストファイルになる。ＸＭＬファイルは、タグ（概念的な括弧）で囲む形で要素（ノードやエンティティと言ってもよい）を記述し、さらに要素間の相関関係（指す指される関係）を記述したものである。形状処理的な見方をすれば、ＩＧＥＳやＳＴＥＰと同じである。ただし、その記述に汎用的なＸＭＬ形式を採用していることが画期的である。ＸＭＬ形式ゆえに、人間にとってもコンピュータにとっても可読性が高い。ファイルからメモリへデータ構造（ノード）を展開する機能（およびその逆の機能）は確立されており、無償で利用可能なライブラリも流通している。

 

２．３    ＳＴＬファイル書式からの拡張

 

三角形ポリゴンモデルを記述するにあたり、ＳＴＬファイル書式と比較する。

ＳＴＬファイル書式は、Ｎ個のばらばらの三角形（３点と法線方向）を記述しただけのものである。頂点の共有や三角形に対する物質側、空気側の指定は保証されない。それゆえ、多くのデータ変換で事故（モデル変換失敗）が起こるのは既知の事実である。一方ＡＭＦファイル書式では、頂点の共有を保証する三角形ポリゴンを記述することができる。（書式上、あくまでも記述可能というだけで、ＳＴＬ書式同様に頂点の共有を保証しない記述も可能なので注意が必要である。）

 

三角形ポリゴンとして、平面三角形だけでなく、「曲面三角形：Curved Triangle」（以下ふんわり三角形）を記述することができる。複数モデルのための配置情報（アセンブリに準ずる概念）も記述することができる。三角形ポリゴン以外の情報では、色や表面模様、物質なども記述することができる。

 

多くの種類の情報を表現、保持できるのは必ずしもメリットばかりではない。モデルデータを出す側と受ける側の解釈が一致するとは限らない。３Ｄプリンタ向けの画期的なファイル書式をまとめたはずが、解釈のあいまいさゆえにデータ保存、データ変換が混乱することも予想される。かつて３次元ＣＡＤモデルのデータ変換にＳＴＥＰが提唱されたが、利用される情報はＡＰ２０３、ＡＰ２０４の形状データだけである。フィーチャや加工属性の記述は利用されなかった。

 

２．４    三角形ポリゴン（位相付ＳＴＬ）

 

ＡＭＦファイルで扱う三角形ポリゴンは、ＢＲＥＰ（境界表現）ソリッドのシェルとして、幾何的、位相的に整合性のとれた状態を期待する。整合性が保たれているとき、全てのエッジは２つの三角形フェースに挟まれている。隣接する三角形フェース間で頂点は共有される。さらに三角形フェースの向き付けが明確で、物質側、空気側が区別できる。

 

 

２．５    曲面三角形：ｃｕｒｖｅｄ　ｔｒｉａｎｇｌｅ（ふんわり三角形）

 

そのままでは、ぽきぽきした表面になるのが平面三角形を利用したポリゴンモデルである。滑らかなワーク表面を再現するためには三角形のサイズを小さく（数を大きく）することになる。

適当な方法で三角形の頂点位置に法線方向やエッジの接線方向を与えることができるなら、ふんわり丸みを帯びた三角形を類推することができる。３次のＢＥＺＩＥＲ三角形のようなイメージである。ふんわり三角形を利用すれば、大きく少ない三角形群で曲面系モデルの表面を近似できる。ただし、従来のＳＴＬ処理系のアプリケーションには存在しない概念なので、ふんわり三角形は適当に分割を進め、細かな平面三角形群に変換する必要がある。分割は注目している三角形を４分割することを繰り返して実現する。

 

 

 

３．ＡＭＦファイルのデータ構造

 

ＡＭＦファイル書式内で、モデルデータおよび付随する情報は、ノードを単位として記述されている。概念的に「ノード」は構造体、「属性」はそのメンバー変数に相当する。そこから参照するノードは「子（ノード）」と呼ぶ。ここでは簡便にノードを紹介する。

 

 

＜ａｍｆ＞　　　　　　　　　　　ルートノード
　　　　　　　　　　　　　　　　ＡＭＦファイルの全ての情報はこのノードの配下に置かれる。
＜ｏｂｊｅｃｔ＞　　　　　　　　形状を表すデータ
＜ｍｅｓｈ＞　　　　　　　　　　３Ｄメッシュ（ポリゴンモデル）による体積空間
＜ｖｅｒｔｉｃｅｓ＞　　　　　　親（３Ｄメッシュ）が持つ頂点配列
＜ｖｅｒｔｅｘ＞　　　　　　　　個々の頂点
＜ｅｄｇｅ＞　　　　　　　　　　エッジ　２頂点間を曲線で補間する場合に利用
＜ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ＞　　　位置ベクトル
＜ｎｏｒｍａｌ＞　　　　　　　　法線方向
＜ｖｏｌｕｍｅ＞　　　　　　　　ＢＲＥＰにおけるシェル
＜ｔｒｉａｎｇｌｅ＞　　　　　　ＢＲＥＰにおけるフェース　３個の頂点から成る
＜ｔｅｘｍａｐ＞　　　　　　　　三角形ごとに指定するテクスチャ？　Ｆ2915-12にのみ記述
＜ｃｏｌｏｒ＞　　　　　　　　　色情報
＜ｍａｔｅｒｉａｌ＞　　　　　　物の見た目
＜ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ＞　　　　　マテリアルを組み合わせる
＜ｔｅｘｔｕｒｅ＞　　　　　　　テクスチャ　画像データ
＜ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ＞　ＣＡＤでいうフラットアセンブリ
＜ｉｎｓｔａｎｃｅ＞　　　　　　オブジェクトの配置情報
＜ｍｅｔａｄａｔａ＞　　　　　　属性情報

 

 

４．曲面三角形（ふんわり三角形）の再帰分割

 

２つのあいまいさを含んでいる。

 

あいまいさ１　三角形の４分割

 

ふんわり三角形の細分割は、１つの三角形を４つの三角形に分割することを繰り返す。
ふんわり三角形は頂点に法線方向またはエッジの接線方向が与えられた三角形である。
方向ベクトルの与え方は次の２つのケースのみが許される。

 

ケース１　３つの頂点に法線方向が与えられる
ケース２　法線方向は与えられず、１つのエッジの両端の頂点に接線方向が与えられる

 

ケース２においても、結局は３つの頂点の法線方向に換算して分割処理を行うことになる。
三角形の分割処理は、３つの頂点位置、３つの法線ベクトルから、３つのエッジの新中点位置およびそこでの法線方向を決定する処理である。ここでは説明を割愛するが、規格書にはあるエッジ曲線に注目して、両端の位置と方向ベクトルから中間部を補間するアルゴリズム（Ｈｅｒｍｉｔｅ補間）が示されている。それでも法線方向の決め方がすっきりしない。

 

仮に、ふんわり三角形からＢＥＺＩＥＲ三角形への変換とみなしてみる。ふんわり三角形の３つの頂点と３つの法線ベクトルから、ＢＥＺＩＥＲ三角形の１０個の制御点を決定することに等しい。困ったことに中央の制御点p111だけは一意に決定することができない。ＣＧ系の利用では、p111を決定するためにいくつかの方法が示されているが、適当に決めているに過ぎない。このあいまいさが、ＡＭＦファイル書式の曲面三角形の扱いで問題になる。

 

 

ＢＥＺＩＥＲ三角形の適用では１個の制御点を決定できない。規格書に示された再帰的４分割法では、エッジ中央部の法線方向の決定方法が曖昧である。

滑らかな曲面の一部を平面三角形で表現するより、滑らかさに追従する細かな三角形で補間する方が表示はきれいである。「表示」の美しさと「ものづくり」の精度を同列に扱ってはならない。三角形内部を完璧に補間できない限り、「造形」のための製品形状の定義には使えない。

 

あいまいさ２　ふんわり三角形と一般三角形の混在

 

ふんわり三角形の存在は、そのままではＢＲＥＰソリッドの整合性を崩す元凶となる。ＡＭＦファイルの記述は頂点の共有を前提としているので、位相的には整合性が保たれている（はずである）。ところがエッジを介して隣接する２つの三角形のうち、片方がふんわり、他方が従来の平面である場合、幾何的な整合性は失われる。

 

曲面三角形は、適当な精度まで再分割（規格書による推奨は４回で１個の三角形が２５６個になる）を進め平面三角形で近似することが前提となっている。片方のフェースだけ分割を進めると、フェース、エッジ、頂点の数が増加し、それら位相要素が示す隣接関係が崩れる。（エッジの分割位置で頂点が共有されないのでこの問題は明らかである）平面三角形と曲面三角形の混在は危険である。将来の混乱が予想される。

 

 

５．ＡＭＦファイル書式のサンプルデータ

 

規格が先行しているようだが、ＡＭＦフォーマットのデータはほとんど流通していない。ＡＭＦ規格書に記載の公式ホームページからＡＭＦファイルサンプルを取得して、規格書どおりの記述であるかを検証してみた。ＡＭＦファイル書式ではあるが、ＡＭＦ規格外のデータも存在した。（２０１４年１２月時点）

 

公式ホームページからのデータでさへこの混乱である。最もシンプルなＢＲＥＰソリッドモデルとして整合性の取れた三角形群の記述を推進できない限り、従来ののＳＴＬファイルに対するＡＭＦファイルの優位性はさほど期待できない。

 

公式ホームページ  http://amf.wikispaces.com

 

 

 

 

６．ＡＭＦファイル以外の書式　

 

２０１５年５月にMicrosoftが3Dプリンタ向けの独自フォーマットを発表した。その名も「3MF」でAMFに似ている。目指していることはAMFとほぼ同じようだ。この規格の推進に参画している企業は、Microsoft、Autodesk、DassaultSystems、hp などＩＴ会の巨人が並ぶ。

詳細は次のＵＲＬを参照されたい。　http://www.3mf.io/

 

 

＜　参　考　文　献　＞

 

１）ASTM INTERNATIONAL  Designation : F2945-12
Standard Specification for
Additive Manufacturing File Format(AMF) Version 1.1

 

２）Tomas Akenine-Moller/Eric Haines 翻訳　川西裕幸
リアルタイムレンダリング　第２版　2006年　発行　株式会社ボーンデジタル
ｐｐ．431 – 433

 

３）三浦曜、中嶋、大野　著
ＮＵＲＢＳ早分かり　工業調査会
ｐｐ．187 – 188